مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM یکی از روش‌های نوین و مؤثر در تقویت سازه‌های بتنی و مصالح بنایی، از جمله بناهای تاریخی، محسوب می‌شود. این سیستم با ترکیب مش الیاف (شیشه AR، کربن، بازالت یا PBO) و ملات معدنی یا آهکی طراحی شده و امکان افزایش مقاومت و شکل‌پذیری تیرها، ستون‌ها، دال‌ها و دیوارها را با حداقل تغییرات ظاهری فراهم می‌کند.
آشنایی با روش مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM
کامپوزیت FRCM یکی از فناوری های نوین در تقویت سازه های بتنی و سازه های مصالح بنایی است که در سال های اخیر جایگاه قابل توجهی در پروژه های ترمیم و بهسازی پیدا کرده است. نام این سیستم از عبارت Fiber Reinforced Cementitious Matrix گرفته شده و به معنای ملات سيماني تقويت شده با مش الياف است. در واقع، FRCM ترکیبی از یک بستر ملات با چسبندگی مناسب و الیاف با مقاومت کششی بالا است که با هم یک لایه تقویتی سبک، سازگار و بادوام را تشکیل می دهند.
نیاز به مقاوم سازی ساختمان و سازه ها معمولا زمانی مطرح می شود که عضو دچار ضعف سازه ای، آسیب دیدگی، افزایش بارگذاری یا کمبود شکل پذیری باشد. در گذشته، روش هایی مانند ژاکت بتنی، ژاکت فولادی و صفحات فلزی پاسخگوی این نیاز بودند، اما به دلیل محدودیت هایی مانند افزایش وزن، دشواری اجرا و مداخله زیاد در سازه، استفاده از روش های نوین در کنار روش های سنتی اهمیت بیشتری پیدا کرده است.
FRCM به دلیل ماهیت معدنی بستر خود، رفتار مناسبی با سازه های بنایی و بتنی دارد و از مشکلاتی مانند ناسازگاری حرارتی یا جداشدگی زودرس که در برخی سیستم های پلیمری مشاهده می شود، دور است. همچنین وزن کم، سهولت اجرا، مقاومت در برابر حرارت و سازگاری مطلوب با زیرکار، آن را به گزینه ای قابل اعتماد برای طراحان و کارفرمایان تبدیل کرده است.
در مقاوم سازی سازی با FRCM از چه مصالحی استفاده می شود؟
سیستم مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM از سه جزء اصلی تشکیل شده است که عملکرد هر یک در کارایی نهایی تقویت نقش حیاتی دارد: مش الیاف، ملات و اسپایک انکر. شناخت دقیق این اجزا برای طراحان و مهندسانی که به دنبال افزایش ظرفیت سازه های بتنی و بنایی هستند، اهمیت بالایی دارد.
مش الیاف یا توری مشبک، هسته اصلی سیستم FRCM است. این مش از نخ های پیوسته الیاف با مقاومت بالا ساخته شده و می تواند شامل مش کربن، شیشه مقاوم در برابر قلیا (AR-Glass)، بازالت، آرامید یا PBO باشد. مش الیاف وظیفه انتقال تنش های کششی را دارد و انتخاب نوع مناسب آن تاثیر مستقیم بر عملکرد مقاوم سازی با FRCM دارد.
ملات که می تواند بر پایه سیمان یا آهک باشد، مش الیاف را در جای خود نگه می دارد و تنش ها را میان شبکه تقویتی و زیرکار منتقل می کند. این ملات ها معمولاً با افزودن الیاف کوتاه یا مواد پلیمری تقویت می شوند تا مقاومت، دوام و شکل پذیری بهبود یابد. در ملات های اصلاح شده با پلیمر، ترکیبات آلی به حدود پنج درصد وزنی محدود می شوند تا سازگاری و عملکرد بلندمدت حفظ شود.
برای اطمینان از مهار مناسب مش (معمولا توری فایبرگلاس) و جلوگیری از جداشدگی، اسپایک انکر (Spike Anchor) از جنس شیشه یا کربن استفاده می شود. این اجزا در کنار هم، پایه مقاوم سازی با FRCM را تشکیل می دهند و امکان افزایش مقاومت و دوام سازه های بتنی و بنایی را به شکل قابل توجهی فراهم می کنند.
چرا کامپوزیت FRCM یکی از روش‌های محبوب مقاوم سازی است؟
سیستم مقاوم سازی با FRCM به عنوان یک روش نوین برای تقویت سازه‌های بنایی و بتنی در ایران شناخته می‌شود. استفاده از این روش، علاوه بر افزایش ظرفیت سازه، امکان اجرای سریع و انعطاف‌پذیر در شرایط مختلف را فراهم می‌آورد و محدودیت‌های روش‌های سنتی را کاهش می‌دهد.
برخی از مزایای مهم مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM عبارتند از:
- هزینه مقرون به صرفه: بهینه‌تر از روش‌های سنتی مقاوم سازی عمل می‌کند.اجرای آسان و سریع: کاهش زمان انجام پروژه و امکان استفاده حتی در سازه‌های پیچیده.
- انطباق با شرایط محیطی: قابلیت استفاده روی سطوح مرطوب و مناسب برای بناهای تاریخی با ملات پایه آهک.
- دوام بالا: ملات غیرآلی مقاومت خوبی در برابر شرایط محیطی و دماهای مختلف دارد.
- سازگاری با مصالح زیرساخت: عملکرد هماهنگ با ویژگی‌های شیمیایی و مکانیکی مصالح بنایی و بتنی.
- انعطاف مش و ضخامت کم: مناسب برای اعضای با شکل‌ها و هندسه‌های متفاوت و بدون تغییر ظاهری در سازه و افزایش وزن آن.
- امکان بازیابی: قابلیت برداشتن لایه اجرا شده و بازگرداندن سازه به حالت اولیه بدون آسیب.
- تنفس مصالح: لایه ملات متخلخل اجازه عبور هوا و رطوبت را می‌دهد و رطوبت تجمعی کاهش می‌یابد.
2 کابرد اصلی روش مقاوم سازی FRCM
سیستم مقاوم سازی با FRCM به دلیل سازگاری با مصالح بنایی و بتنی و قابلیت تحمل تنش‌های کششی و فشاری، در پروژه‌های مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد. این روش امکان افزایش ظرفیت باربری، بهبود شکل پذیری و ارتقای رفتار سازه در برابر نیروهای وارده را فراهم می‌کند.
سازه‌های بتنی و سازه‌های مصالح بنایی، دو حوزه اصلی کاربرد سیستم مقاوم سازی با FRCM هستند و در جدول زیر جزییات بیشتری درباره هر یک ارائه شده است.
|
کاربردهای روش مقاوم سازی FRCM |
||
| نوع سازه | اعضای تقویت‌شده | هدف کاربرد |
| سازه های بتنی | تیر، ستون، دال | افزایش ظرفیت خمشی، برشی، محوری و بهبود شکل پذیری |
| سازه های مصالح بنایی و بناهای تاریخی | تیر، ستون، دیوار، قوی | افزایش ظرفیت خمشی، برشی، محوری، درون صفحه و برون صفحه |
تفاوت سیستم مقاوم سازی FRCM با دیگر روش ها
روش‌های مقاوم سازی ساختمان و سازه‌ها متنوع هستند. در کنار روش مقاوم سازی با FRCM روش های نظیرFRP، ژاکت بتنی و ژاکت فولادی دارای اقبال چشمگیری هستند.. هر روش ویژگی‌ها و محدودیت‌های خاص خود را دارد و انتخاب مناسب‌ترین روش نمی‌تواند تنها با توجه به یک پارامتر انجام شود. عواملی مانند نوع مصالح، سرعت اجرا، انعطاف‌پذیری، هزینه، دوام، مقاومت در برابر آتش، تغییر ابعاد عضو و نیاز به طراحی اختصاصی باید همزمان بررسی شوند. در مقاوم مقایسه روش FRCM با دیگر روش ها نکات زیر را می توان به صورت خلاصه بیان نمود.
- سیستم FRCM از ملات معدنی و مش الیاف تشکیل شده و به دلیل انعطاف بالا و ضخامت کم، مناسب اعضای سازه‌ای با هندسه‌های متفاوت و بناهای تاریخی است. سرعت اجرا در این روش معمولاً سریع تا متوسط است و هزینه نسبتاً مقرون به صرفه است، در حالی که دوام آن در شرایط محیطی و رطوبت مناسب است.
- سیستم FRP از رزین و الیاف پلیمری ساخته می‌شود و مقاومت کششی بسیار بالایی دارد. این روش سبک و سریع اجرا می‌شود، و مانند FRCM انعطاف پذیری بالایی در اجرا دارد ولی در برابر شرایط محیطی خاص، مانند نور UV و حرارت، حساس است.
- ژاکت بتنی باعث افزایش قابل توجه ابعاد عضو و مقاومت بالای سازه می‌شود، اما زمان اجرا طولانی و هزینه بالایی دارد و انعطاف آن کم است.
- ژاکت فولادی نیز افزایش ظرفیت خمشی و برشی خوبی ایجاد می‌کند و سرعت اجرای متوسط دارد، اما اجرای آن به نسبت FRCM دشوار تر می باشد.
آیین‌نامه‌های معتبر برای طراحی و اجرای سیستم FRCM
سیستم‌های مقاوم سازی FRCM از سال 2013 به‌صورت رسمی وارد ادبیات تخصصی ACI شدند. نخستین سند منتشرشده در این حوزه، ACI 549.4R-13 بود که در آن، ضوابط مربوط به سازه‌های بتنی و سازه‌های مصالح بنایی در یک راهنما گردآوری شده بود. این نسخه نقطه شروع تدوین چارچوب‌های فنی FRCM محسوب می‌شود و پایه بسیاری از استانداردهای بعدی قرار گرفت.
با گسترش تحقیقات و توجه بیشتر به تفاوت‌های رفتاری سازه‌های بتنی و بنایی، ACI در سال 2020 بازنگری اساسی انجام داد و این راهنما را به دو سند مجزا تقسیم کرد:
- ACI 549.4R-20 ویژه طراحی و اجرای FRCM در سازه‌های بتنی
- ACI 549.6R-20 ویژه سازه‌های مصالح بنایی
این تفکیک باعث شد ضوابط هر دو گروه سازه با دقت بیشتری تدوین شود؛ از نحوه آماده‌سازی سطح و انتخاب نوع مش گرفته تا کنترل کیفیت اجرا و معیارهای عملکرد.
در حال حاضر این دو آیین‌نامه، اصلی‌ترین مراجع برای طراحی، انتخاب مصالح و ارزیابی عملکرد در پروژه‌های مقاوم سازی FRCM هستند و مبنای تصمیم‌گیری مهندسان و طراحان قرار می‌گیرند.
مراحل اجرای کامپوزیت FRCM برای مقاوم سازی
فرآیند اجرای مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM از نظر ترتیب مراحل شباهت زیادی به اجرای سیستم‌های FRP دارد. تمام مراحل باید مطابق ضوابط آیین‌نامه ACI 549 انجام شود تا عملکرد تقویتی سیستم FRCM به‌طور کامل قابل اطمینان باشد. در این روش، لایه‌های تقویتی بر روی سطح عضو سازه‌ای نصب می‌شوند تا ظرفیت عملکردی آن افزایش یابد. این روش برای انواع اعضای بتنی و بنایی شامل تیر، ستون، دال و دیوار قابل استفاده است و بسته به هدف پروژه، تعداد لایه‌ها و نوع مش الیاف مطابق طراحی تعیین می‌شود.
اجرای کار با آماده‌سازی سطح شروع می‌شود؛ پس از آن، ملات پایه سیمانی یا آهکی در نسبت‌های دقیق مخلوط شده و لایه نخست آن روی عضو اعمال می‌شود.
در ادامه، مش الیاف (معمولا مش فایبرگلاس) که ممکن است از جنس شیشه AR، کربن، بازالت یا PBO باشد، روی لایه ملات قرار گرفته و با لایه بعدی ملات پوشانده می‌شود. در نواحی خاص که نیاز به مهار اضافه وجود دارد، از اسپایک انکر استفاده می‌شود تا اتصال الیاف به عضو بهبود یابد.
کلام پایانی
روش مقاوم سازی با کامپوزیت FRCM یکی از راهکارهای نوین و موثر در بهبود عملکرد سازه‌های بتنی و مصالح بنایی است. این سیستم با ترکیب مش الیاف و ملات معدنی یا آهکی، ظرفیت باربری و شکل‌پذیری اعضای سازه‌ای را افزایش می‌دهد و در عین حال، وزن کم و ضخامت پایین آن، محدودیت‌های معماری را به حداقل می‌رساند.
مطالعه آیین‌نامه‌های تخصصی مانند ACI 549.4R-20 و ACI 549.6R-20، انتخاب دقیق مصالح و طراحی لایه‌ها را تسهیل می‌کند و اطمینان از عملکرد بهینه سیستم را فراهم می‌آورد. علاوه بر این، FRCM برای پروژه‌های جدید و بناهای تاریخی، به دلیل سازگاری با مصالح و شرایط محیطی، یک راهکار مقرون به صرفه و قابل اعتماد محسوب می‌شود.
به طور کلی، موفقیت در اجرای سیستم FRCM نیازمند انتخاب مصالح مناسب، طراحی دقیق و رعایت ضوابط آیین‌نامه‌ای است تا سازه‌ها در برابر بارهای خمشی، برشی و لرزه‌ای عملکرد مطلوب داشته باشند.